(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心の近傍から外周方向に向かってマイクロチャネルが形成され、前記回転中心の回りに回転駆動して前記マイクロチャネルの内部での液体の移送を制御する生体分析用デバイスであって、
前記マイクロチャネルは、
試料液が注入される試料保持部が、前記回転中心に向かって形成された毛細管サイフォンを介して、試料液の定量および試薬反応を行う試料定量毛細管における前記回転中心から見て内周側の一方の側壁側の接続口に連結され、
前記試料定量毛細管の前記回転中心から見て外周側に試薬と反応した試料液の測定を行う試料測光部を設け、
かつ回転駆動に伴って発生する遠心力によって前記試料定量毛細管から前記試料測光部に移送した液体を毛細管力によって吸い上げる前記試料定量毛細管を囲むように配置された第１の凹部を設け、
前記試料定量毛細管には、
前記接続口に近接する側壁に沿って形成された第２の凹部と、
前記接続口から離れた側壁に沿って形成された凸部を設け、
前記第２の凹部は前記試料定量毛細管より深い
生体分析用デバイス。
【請求項２】
前記試料定量毛細管には、試料液と反応させる試薬が担持されている
請求項１に記載の生体分析用デバイス。
【請求項３】
前記試料定量毛細管の前記回転駆動の外周端が、前記試料測光部の内部に突出して形成されている
請求項１に記載の生体分析用デバイス。
【請求項４】
前記試料定量毛細管が、前記試料測光部の外周方向の側壁に連結されている
請求項３に記載の生体分析用デバイス。
【請求項５】
前記試料定量毛細管の深さは、前記毛細管サイフォンの深さと同じまたは前記毛細管サイフォンの深さよりも浅い
請求項１に記載の生体分析用デバイス。
【請求項６】
前記毛細管サイフォンの前記回転駆動の外周端が、前記試料保持部の内部に突出して形成されている
請求項１に記載の生体分析用デバイス。
【請求項７】
前記毛細管サイフォンの前記回転駆動の外周端が、前記試料保持部の外周方向の底部から離間している
請求項６に記載の生体分析用デバイス。
【請求項８】
前記試料定量毛細管と前記毛細管サイフォンの内壁の一部あるいは全面に親水処理が施されている
請求項１に記載の生体分析用デバイス。
【請求項９】
分析すべき試料液を請求項１に記載の生体分析用デバイスの試料保持部に注入し、
前記生体分析用デバイスの回転と停止を繰り返して、
前記生体分析用デバイスを回転させて発生する遠心力と生体分析用デバイスの試料定量毛細管での毛細管力により試料定量毛細管の内部で試料液と試薬とを混合攪拌する
試料定量攪拌方法。
【請求項１０】
前記遠心力を発生させる回転数は、前記試料定量毛細管に移送された試料液にかかる遠心力が毛細管力よりも強くなる回転数である
請求項９に記載の試料定量攪拌方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物などから採取した検体の分析に使用する分析用デバイスと、これを使用する分析方法に関するものであり、より詳細には、分析用デバイス内における試料液の定量と試料液と試薬の攪拌技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生物学的流体を光学的に分析する方法として液体流路を形成したマイクロデバイスを用いて分析する方法が知られている。マイクロデバイスは回転分析装置を使って流体を制御することが可能であり、遠心力を利用して試料の定量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送や分配等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。
【０００３】
遠心力と毛細管力を利用して試料の定量・試薬との反応・検出を行う分析方法として特許文献１を挙げることができる。
図７は特許文献１の技術を示している。
【０００４】
この分析用デバイスでは、遠心力源となる軸心に最も近い側から外周に向かって矢印１５の方向に、注入口３１ａから検体としての全血（血液）４５が注入される全血分離チャンバー３１，分離チャンバー３２，定量チャンバー３３，反応・検出チャンバー３４が設けられている。
【０００５】
全血分離チャンバー３１と分離チャンバー３２の間は、流路３５と試薬チャンバー３６と流路３７と攪拌部３８および流路３９を介して分離チャンバー３２に連結されている。分離チャンバー３２と定量チャンバー３３の間は、流路４０を介して連結されている。定量チャンバー３３と反応・検出チャンバー３４との間は、流路４１を介して連結されている。
【０００６】
従来の分析方法では、全血分離チャンバー３１と分離チャンバー３２で生成された試料液を、分析用デバイスに遠心力を加えることによって定量チャンバー３３に移送する。そして、定量チャンバー３３に流入した試料液について、余分に流入した試料液は排出口３３ｃから排出されることにより流入した試料液は定量チャンバー３３の容積に応じた定量がなされる。
【０００７】
次に前記遠心力を停止すると、試料液は毛細管力によって流出口４１ｃまで満たされ表面張力により停止する。そして、分析用デバイスに遠心力が再度加わると、定量チャンバー３３内の試料液の全てが反応・検出チャンバー３４に移送される。反応・検出チャンバー３４に移送された試料液は、反応試薬４３に触れることにより反応し、反応した試料液の吸光度を光学的な方法で検出することで、試料液の分析を行うことができる。
【特許文献１】特開２００６−２１４９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら特許文献１では、試料液の定量と試薬反応及び検出を行うための、最低限必要な構成として、定量チャンバー３３と反応・検出チャンバー３４の２つのチャンバー構成が必要となり、試料液の定量・反応・検出を同じ部位で実施できない。
【０００９】
そこで、定量チャンバー３３を毛細管力の働く深さとし、試料液の定量・反応・検出を同じ部位で構成した場合には、定量された試料液を定量チャンバー３３に働く毛細管力によって試料が吸上げられる際に、排出口３３ｃから試料液が排出されてしまい、試料液の定量性が保持できないという課題を有している。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、試料液の定量と試薬との反応を同じ部位で実現できる生体分析用デバイスおよびそれを用いた定量攪拌方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１記載の生体分析用デバイスは、回転中心の近傍から外周方向に向かってマイクロチャネルが形成され、前記回転中心の回りに回転駆動して前記マイクロチャネルの内部での液体の移送を制御する生体分析用デバイスであって、前記マイクロチャネルは、試料液が注入される試料保持部が、前記回転中心に向かって形成された毛細管サイフォンを介して、試料液の定量および試薬反応を行う試料定量毛細管における前記回転中心から見て内周側の一方の側壁側の接続口に連結され、前記試料定量毛細管の前記回転中心から見て外周側に試薬と反応した試料液の測定を行う試料測光部を設け、かつ回転駆動に伴って発生する遠心力によって前記試料定量毛細管から前記試料測光部に移送した液体を毛細管力によって吸い上げる前記試料定量毛細管を囲むように配置された第１の凹部を設け、前記試料定量毛細管には、前記接続口に近接する側壁に沿って形成された第２の凹部と、前記接続口から離れた側壁に沿って形成された凸部を設け、前記第２の凹部は前記試料定量毛細管より深いことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２記載の生体分析用デバイスは、請求項１において、記試料定量毛細管には、試料液と反応させる試薬が担持されていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載の生体分析用デバイスは、請求項１において、前記試料定量毛細管の前記回転駆動の外周端が、前記試料測光部の内部に突出して形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４記載の生体分析用デバイスは、請求項３において、前記試料定量毛細管が、前記試料測光部の外周方向の側壁に連結されていることを特徴とする。
本発明の請求項５記載の生体分析用デバイスは、請求項１において、前記試料定量毛細管の深さは、前記毛細管サイフォンの深さと同じまたは前記毛細管サイフォンの深さよりも浅いことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６記載の生体分析用デバイスは、請求項１において、前記毛細管サイフォンの前記回転駆動の外周端が、前記試料保持部の内部に突出して形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項７記載の生体分析用デバイスは、請求項６において、前記毛細管サイフォンの前記回転駆動の外周端が、前記試料保持部の外周方向の底部から離間していることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項８記載の生体分析用デバイスは、請求項１において、前記試料定量毛細管と前記毛細管サイフォンの内壁の一部あるいは全面に親水処理が施されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項９記載の試料定量攪拌方法は、分析すべき試料液を請求項１に記載の生体分析用デバイスの試料保持部に注入し、前記生体分析用デバイスの回転と停止を繰り返して、前記生体分析用デバイスを回転させて発生する遠心力と生体分析用デバイスの試料定量毛細管での毛細管力により試料定量毛細管の内部で試料液と試薬とを混合攪拌することを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１０記載の試料定量攪拌方法は、請求項９において、前記遠心力を発生させる回転数は、前記試料定量毛細管に移送された試料液にかかる遠心力が毛細管力よりも強くなる回転数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の構成によれば、試料液の定量と試薬との反応を同じ部位で行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の生体分析用デバイスおよびそれを用いた定量攪拌方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態における生体分析用デバイス１０１を示す。
【００２２】
生体分析用デバイス１０１は、円形のベース基板１０２と円形のカバー基板１０３を貼り合わせて構成されている。図２はベース基板１０２のカバー基板１０３との貼り合わせ面を示しており、図２のＡ−ＡＡ断面図を図３に示す。
【００２３】
ベース基板１０２のカバー基板１０３との貼り合わせ面には、深さの異なる複数の凹部が形成されて毛細管流路と貯留部と検査部などから形成されるマイクロチャネル１１４が形成されている。ベース基板１０２とカバー基板１０３は、何れも合成樹脂材料製であり、マイクロチャネル１１４は、ベース基板１０２の射出成形時、あるいはベース基板１０２を切削して形成されている。カバー基板１０３はこのベース基板１０２に形成された前記凹部を覆うようにベース基板１０２に接合されてマイクロチャネル１１４を形成している。
【００２４】
マイクロチャネル１１４を詳しく説明する。
図１に示すように、マイクロチャネル１１４は、回転中心１０４の近傍からベース基板１０２の外周方向に向かって形成されている。
【００２５】
具体的には、回転中心１０４から離れた位置に配置された試料保持部１０５と、試料液１１８の定量ならびに試薬１１２との反応を行うための試料定量毛細管１０９と、試薬１１２と反応した試料液１１８を光学的に測定するための試料測光部１０６とで構成されており、試料保持部１０５と試料定量毛細管１０９は、回転中心１０４に最も接近した位置にサイフォン頂点１０８を持つ毛細管サイフォン１０７で連結されている。
【００２６】
試料定量毛細管１０９の周りには、試料定量毛細管１０９の深さよりも深い第１の凹部１１０が形成されている。これは、毛細管定量部１０９の周りに空気の流れる通路を形成することによって、試料液１１８の遠心移送や毛細管移送の際に、気泡が混入することを防ぐためである。試料定量毛細管１０９と毛細管サイフォン１０７の深さの関係は、同じ深さで形成されているが、試料定量毛細管１０９の深さが、毛細管サイフォン１０７の深さよりも浅く形成していてもよい。
【００２７】
試料定量毛細管１０９は、試料保持部１０５と試料測光部１０６の内部に突出するように形成されている。さらに、試料保持部１０５内に突出した試料定量毛細管１０９は、試料保持部１０５の外周側の側壁に連結しないように形成されている。
【００２８】
試料測光部１０６内に突出した試料定量毛細管１０９は、試料測光部１０６の外周側の側壁に連結するように形成されている。これは、試料保持部１０５では、試料保持部１０５内に移送された試料液１１８の液面が、試料定量毛細管１０９に届いたときにのみ試料定量毛細管１０９に移送されるようにすることによって、定量後の不要な試料液１１８が試料定量毛細管１０９に混入することを防ぐためである。また、試料測光部１０６では、試料液１１８と試薬１１２と反応性を向上させるために、定量された試料液１１８をすべて試料定量毛細管１０９に移送するためである。
【００２９】
更に、試料定量毛細管１０９には、毛細管サイフォン１０７の側に第２の凹部１１７を形成し、毛細管サイフォン１０７から離れた位置に凸部１１１を形成している。具体的には、接続口１１６に近接する側壁（１０９ｓ）に沿って、かつこの側壁（１０９ｓ）に接して第２の凹部１１７が形成されている。図３に示すように第２の凹部１１７は試料定量毛細管１０９より深く、凸部１１１はカバー基板１０３と接するように形成されている。
【００３０】
このような構成にすることにより、試料液１１８を毛細管力で吸上げる際に、凹部１１０側では流速Ｖ１が、凸部１１１側の流速Ｖ２よりも遅くなり、毛細管サイフォン１０７から遠い側から試料液１１８を移送させることができ、試料液１１８が接続口１１６に接近するに従って試料液１１８に働く表面張力によって液面が縮小しようとするため、最終的に接続口１１６で試料液１１８を停止させることが可能となり、毛細管サイフォン１０７への逆流を防止することができる。
【００３１】
従来、このような第２の凹部１１７や凸部１１１の構成がない場合は、試料液１１８を毛細管で吸上げる際に、試料液１１８の液面の速度Ｖ１がＶ２よりも速いため、試料液１１８が、試料定量毛細管１０９を満たす前に毛細管サイフォン１０７へ流入してしまい、試料液１１８の定量性が保持できない。
【００３２】
試料定量毛細管１０９の表面には、試料液１１８の特性を測定するための試薬１１２が塗布されており、測定内容によって試薬１１２の種類を変更して配置することができる。
次に生体分析用デバイス１０１の構成について具体的に説明する。
【００３３】
本発明における生体分析用デバイス１０１はベース基板１０２とカバー基板１０３で構成されており、それぞれの基板は射出成型あるいは切削された基板で構成されている。ベース基板１０２とカバー基板１０３の厚みは、１ｍｍ〜５ｍｍで形成しているが、特に制限は無く、マイクロチャネル１１４を形成可能な厚みであればよい。ベース基板１０２とカバー基板１０３の形状については、生体分析用デバイス１０１を単独で回転させる際には円形の形状が好ましいが、生体分析用デバイス１０１を外部のアタッチメントに装着するような構成にして回転させる場合は、特に限定する必要が無く、用途目的に応じた形状、例えば、四角形、三角形、扇形、その他複雑な形状の成形物などの形状が可能である。
【００３４】
ベース基板１０２とカバー基板１０３の材料として、易成形性、高生産性、低価格の面から合成樹脂を使用しているが、ガラス、シリコンウェハー、金属、セラミックなど接合できる材料であれば特に制限はない。
【００３５】
ベース基板１０２とカバー基板１０３には、それぞれの基板に形成されるマイクロチャネル１１４内の粘性抵抗を減らし流体移動を促進するために壁面の一部或いは全ての壁面に親水性処理を行っているが、ガラス等の親水性材料を用いたり、成形時に界面活性剤、親水性ポリマー、シリカゲルの如き親性粉末などの親水化剤を添加させて材料表面に親水性を付与させたりしてもかまわない。親水性処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や界面活性剤による表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が９０°未満のことをいい、より好ましくは接触角４０°未満である。少なくとも試料定量毛細管１０９と毛細管サイフォン１０７の内壁の一部あるいは全面に親水処理が施されていればよい。
【００３６】
この実施の形態ではベース基板１０２とカバー基板１０３を超音波溶着にて接合しているが、使用する材料に応じて粘着性接合シートや陽極接合やレーザー接合などの接合方法で接合してもかまわない。
【００３７】
次に、試料液１１８の注入から移送および試料液１１８の成分の測定までのプロセスを詳しく説明する。
図５（ａ），図５（ｂ），図５（ｃ）は、試料液１１８の注入から定量分配までを説明するための概略図であり、図６（ａ），図６（ｂ），図６（ｃ），図６（ｄ）は試料液１１８の毛細管移送状態の概略図である。
【００３８】
試料液１１８を、図５（ａ）に示すようにピペット５０１で注入口１１５から試料保持部１０５に注入する。注入された試料液１１８は、図５（ｂ）に示すように試料保持部１０５を満たすとともに、毛細管サイフォン１０７で働く毛細管力５０２によって吸上げられ、試料定量毛細管１０９に移送される。さらに、注入を続けると試料定量毛細管１０９は試料液１１８で満たされる。その際に、第１，第２の凹部１１０，１１７には試料液１１８は移送されない。
【００３９】
これは、第１，第２の凹部１１０，１１７の深さが、試料定量毛細管１０９の深さよりも深く形成されていることにより、試料定量毛細管１０９と第１，第２の凹部１１０，１１７の接続部分で毛細管力５０２が遮断され、表面張力により試料液の界面が保持されることにより、第１，第２の凹部１１０，１１７に試料液が侵入するのを防いでいるためである。さらに、試料液１１８は、試料定量毛細管１０９に塗布された試薬１１２と接触することによって、試薬１１２が試料液１１８によって溶解されて反応が開始される。
【００４０】
ここで、毛細管力とは、一般的に細管の内径寸法が２．５ｍｍ以下である場合に影響力が大きくなると言われており、壁面と液体のなす接触角と気液界面の間に働く表面張力の間のバランスを保とうとする力によって毛細管内部の液体が移動する力である。
【００４１】
次に、試料液１１８の定量を行うために、回転中心１０４を軸に生体分析用デバイス１０１を回転させることによって遠心力５０３を発生させる。
これによって試料液１１８は、図５（ｃ）に示すように、遠心力５０３によって外周方向に配置された試料保持部１０５と試料測光部１０６に移送される。その際に、試料液１１８はサイフォン頂点１０８で分断されることにより、定量されるとともに試薬１１２を溶解し始めた試料液１１８は溶解した試薬１１２とともに試料測光部１０６に移送され、不要な試料液１１８は試料保持部１０５に移送される。
【００４２】
より具体的には、このときの回転速度は、試料定量毛細管１０９に移送された試料液１１８にかかる力が５００Ｇ以上になるように設定し、試料液１１８を確実に試料測光部１０６と試料保持部１０５に移送できるようにする。この実施の形態では、前記試料定量毛細管に移送された試料液にかかる遠心力が毛細管力よりも強くなる回転数である２５００ｒｐｍとした。
【００４３】
試料液１１８を確実に試料保持部１０５と試料測光部１０６に移送した後、回転を停止させることによって試料定量毛細管１０９の毛細管力が支配的になり、図６（ａ）に示すように試料測光部１０６に定量された試料液１１８は試料定量毛細管１０９に再度移送される。その際に、試料液１１８は凸部１１１を形成した側壁側の毛細管力に比べて、第２の凹部１１７が形成された側壁側の毛細管力が弱くなるため、凸部１１１まで到達した液面の速度Ｖ２と第２の凹部１１７に到達した液面の速度Ｖ１の間で、
Ｖ１  ＜  Ｖ２
となるような速度差が生じる。さらにその状態で図６（ｂ）のように、速度Ｖ２の液面が先に接続口１１６の近傍に接近する。さらに、図６（ｃ）に示すように、速度Ｖ１の液面と速度Ｖ２の液面が接近すると、試料液１１８の液面の表面張力Ｓｔによって、液面の面積を小さくしようとする力が支配的になるため、最終的には図６（ｄ）に示すように接続口１１６で液面は停止する。
【００４４】
このような試料液１１８の流れのメカニズムを利用することで、試料液１１８を試料定量毛細管１０９に全て吸上げたときに接続口１１６に液面が到達するようにコントロールすることができ、試料液１１８がサイフォン頂点１０８を越えて毛細管サイフォン１０７に移送されることを防ぐことが可能となり、試料液１１８の定量性を保持することができる。
【００４５】
一方、試料保持部１０５に移送された不要な試料液１１８は、液面が毛細管に到達しないように、つまり、前記毛細管サイフォン１０７の前記回転駆動の外周端が、試料保持部１０５の外周方向の底部から離間しているため、試料保持部１０５に保持された状態になる。
【００４６】
試料液１１８が、試料定量毛細管１０９に全て移送された後、遠心力によって試料定量毛細管１０９に吸上げられた試料液１１８を試料測光部１０６に再度移送する。
このように、遠心力を発生させたり止めたりすることにより、試料液１１８を試料測光部１０６と試料定量毛細管１０９の間で交互に移送し、試料液１１８の界面が試薬１１２と何回も触れ合うことによって、試薬１１２の溶解および攪拌が促進され、試薬１１２を確実に溶解することが可能となる。
【００４７】
この方法により試料液１１８と試薬１１２を混合攪拌した後、最後に遠心力を発生させて試料測光部１０６に移送する。
移送された試料液１１８と試薬１１２との混合液は、光学的な方法で測定することで分析を行うことができる。
【００４８】
この生体分析用デバイス１０１においては、このようなマイクロチャネル１１４を構成することで、試料液１１８の定量と試薬１１２との反応を同じ部位で実現することが可能となる。
【００４９】
図４は分析装置４０１を示す。
この分析装置４０１は、生体分析用デバイス１０１を回転させるための回転駆動手段４０７と、生体分析用デバイス１０１内の溶液を光学的に測定する光学測定部４０２と、生体分析用デバイス１０１の回転速度や回転方向、および光学測定手段の測定タイミングなどを制御する制御手段４０８と、光学測定部４０２によって得られた信号を処理し測定結果を演算するための演算部４０４と、演算部４０４で得られた結果を表示するための表示部４０５とで構成される。光学測定部４０２には、レーザー光源４０６とフォトディテクタ４０３とを備えている。
【００５０】
検査すべき試料液１１８と試薬１１２を反応させた後、試料測光部１０６にレーザー光源４０６から透過光を照射し、その反応状態をフォトディテクタ４０３で受光し、演算部４０４にて分析して表示部４０５で測定結果を表示する。
【００５１】
この測定時には、試料測光部１０６に充填された反応液が、反応の割合で吸光度を変化させるため、レーザー光源４０６から試料測光部１０６に透過光を照射し、フォトディテクタ４０３にてその透過光の光量を測定することで、反応液を透過した光量の変化を測定して試料液１１８の成分を分析できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、試料液の定量と試薬反応を同じ部位で実現できることから、診療所等で使用される小型の生体分析装置の普及に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態における生体分析用デバイスの分解斜視図
【図２】同実施の形態におけるベース基板１０２のカバー基板１０３との貼り合わせ面の平面図
【図３】同実施の形態における図２のＡ−ＡＡ断面図
【図４】同実施の形態における分析装置の構成図
【図５】同実施の形態における試料液の注入から定量分配プロセスの工程図
【図６】同実施の形態における試料液の毛細管移送状態の工程図
【図７】従来の生体分析用デバイスの平面図
【符号の説明】
【００５４】
１０１  生体分析用デバイス
１０２  ベース基板
１０３  カバー基板
１０４  回転中心
１０５  試料保持部
１０６  試料測光部
１０７  毛細管サイフォン
１０８  サイフォン頂点
１０９  試料定量毛細管
１１０  第１の凹部
１１１  凸部
１１２  試薬
１１３  空気孔
１１４  マイクロチャネル
１１５  注入口
１１６  接続口
１１７  第２の凹部
１１８  試料液
４０１  分析装置
４０２  光学測定部
４０３  フォトディテクタ
４０４  演算部
４０５  表示部
４０６  レーザー光源
４０７  回転駆動手段
４０８  制御手段
５０２  毛細管力
５０３  遠心力
Ｖ１，Ｖ２  流速
Ｓｔ    表面張力
【図１】
0005354947.tif 000002
【図２】
0005354947.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005354947.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005354947.tif 000008